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SPI 总线通信 ​

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的串行通信总线。与 I2C 相比，SPI 通信速率更高，但需要更多的数据线，且没有从机地址机制，通过独立的片选线选择从机。

SPI 引脚 ​

SPI 总线通常由 4 根线组成：

引脚全称方向（主机视角）说明
MOSIMaster Output Slave Input输出主机发送数据，从机接收数据
MISOMaster Input Slave Output输入主机接收数据，从机发送数据
SCKSerial Clock输出主机产生的时钟信号
NSSNegative Slave Select输出从机片选，低电平有效

一主多从时，每个从机都需要独立的 NSS 线，MOSI、MISO、SCK 可以共享。

SPI 通信特点 ​

  • 全双工：MOSI 和 MISO 可以同时传输数据。
  • 同步：数据传输由 SCK 时钟同步。
  • 无应答：SPI 没有 I2C 那样的 ACK/NAK 机制，通信效率更高，但缺少错误检测。
  • 速度快：SPI 通常可以达到几十 MHz，远高于 I2C。

波特率 ​

SPI 波特率即每秒钟传输的位数。主机通过分频器从外设时钟得到 SCK 频率：

text
SCK = PCLK / 分频系数

分频系数通常为 2、4、8、16、32、64、128、256。例如 APB2 时钟为 72 MHz，分频系数为 4，则 SCK 为 18 MHz。

波特率选取原则 ​

  • 不超过从机设备支持的最高 SCK 频率。
  • 考虑 PCB 走线长度和信号完整性。
  • 在满足性能要求的前提下，选择较低的频率以提高稳定性。

数据位传输顺序 ​

SPI 可以选择先传最高位（MSB）或最低位（LSB）。

  • MSB 优先：bit7 先传，bit0 后传。大多数设备使用这种模式。
  • LSB 优先：bit0 先传，bit7 后传。

数据位长度 ​

SPI 可以配置为每次传输 8 位或 16 位：

  • 8-bit：最常用，每次传输 1 字节。
  • 16-bit：某些设备或高速场景使用。

时钟极性 CPOL ​

时钟极性（Clock Polarity）决定 SCK 空闲时的电平：

  • CPOL = 0：空闲时 SCK 为低电平，第一个边沿是上升沿。
  • CPOL = 1：空闲时 SCK 为高电平，第一个边沿是下降沿。

时钟相位 CPHA ​

时钟相位（Clock Phase）决定数据在哪个边沿被采样：

  • CPHA = 0：第一个边沿采样，第二个边沿输出。
  • CPHA = 1：第一个边沿输出，第二个边沿采样。

四种模式组合 ​

模式CPOLCPHA空闲电平采样边沿
000低上升沿
101低下降沿
210高下降沿
311高上升沿

使用 SPI 设备前，必须确认它支持哪种模式。常见 Flash 芯片 W25Q 系列通常使用 Mode 0 或 Mode 3。

HAL 库 SPI 常用函数 ​

发送数据 ​

c
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

接收数据 ​

c
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

同时收发 ​

c
HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

TIP

SPI 是移位寄存器，主机发送数据的同时必然接收数据。即使只关心发送，也要调用 HAL_SPI_TransmitReceive 或忽略接收到的数据。

SPI Flash 写入流程 ​

W25Q 系列 SPI Flash 是常用的外部存储芯片。写入数据前，必须按以下步骤操作：

Flash 存储结构 ​

text
容量：8 Mbit = 1 MByte
├── 块 Block：64 KB
├── 扇区 Sector：4 KB
└── 页 Page：256 Byte

写入的最小单位是页，擦除的最小单位是扇区。

写入步骤 ​

  1. 写使能：发送 0x06，允许后续写入/擦除操作。
  2. 扇区擦除：发送 0x20 和 24 位地址，擦除目标扇区。
  3. 等待擦除完成：查询状态寄存器，等待 BUSY 位清零。
  4. 写使能：再次发送 0x06。
  5. 页编程：发送 0x02、24 位地址和最多 256 字节数据。
  6. 等待写入完成：查询状态寄存器，等待 BUSY 位清零。
c
void W25Q_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    uint8_t cmd[4];

    W25Q_WriteEnable();
    W25Q_SectorErase(addr);
    W25Q_WaitBusy();

    W25Q_WriteEnable();

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低片选

    cmd[0] = 0x02;  // 页编程指令
    cmd[1] = (addr >> 16) & 0xFF;
    cmd[2] = (addr >> 8) & 0xFF;
    cmd[3] = addr & 0xFF;

    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, 1000);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, len, 1000);

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);    // 拉高片选

    W25Q_WaitBusy();
}

实战案例 ​

SPI Flash 存储 LED 状态 ​

SPITest 项目使用 SPI 与外部 Flash 通信，实现 LED 状态的掉电保存：上电时从 Flash 读取之前的 LED 状态，按键切换后再把新状态写回 Flash。

SPI1 配置 ​

c
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;     // CPOL = 1
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;          // CPHA = 1
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
HAL_SPI_Init(&hspi1);

本例使用的 Flash 支持 SPI Mode 3（CPOL=1，CPHA=1），片选由软件控制，对应引脚为 PA4。

写入 LED 状态 ​

写入 Flash 前必须先写使能，再擦除扇区，然后再次写使能并执行页编程：

c
static void SaveLEDState(uint8_t ledState)
{
    uint8_t writeEnableCmd[] = {0x06};
    uint8_t sectorEraseCmd[] = {0x20, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t pageProgCmd[5] = {0x02, 0x00, 0x00, 0x00, ledState};

    // 写使能
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, writeEnableCmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

    // 扇区擦除
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, sectorEraseCmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

    HAL_Delay(100);  // 等待擦除完成

    // 再次写使能
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, writeEnableCmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

    // 页编程
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, pageProgCmd, 5, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

    HAL_Delay(10);  // 等待写入完成
}

读取 LED 状态 ​

c
static uint8_t LoadLEDState(void)
{
    uint8_t readDataCmd[] = {0x03, 0x00, 0x00, 0x00};
    uint8_t ledState = 0xff;

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, readDataCmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_SPI_Receive(&hspi1, &ledState, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);

    return ledState;
}

主流程 ​

c
uint8_t ledState = 0;

HAL_Delay(50);
ledState = LoadLEDState();
if (ledState != 0 && ledState != 1) {
    ledState = 0;  // 初次上电或数据无效时默认熄灭
}

if (ledState == 1) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮
}
else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // 熄灭
}

while (1)
{
    // 检测 PA0 按键下降沿（本例中按键另一端接 GND，配置为上拉输入）
    if (/* 按键按下 */) {
        ledState = !ledState;

        if (ledState == 1) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
        }
        else {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
        }

        SaveLEDState(ledState);
    }
}

TIP

实际项目中，擦除和写入完成后应该读取状态寄存器确认 BUSY 位清零，而不是简单地固定延时。本例为了简化使用了 HAL_Delay。

常见问题 ​

数据全为 0xFF 或 0x00 ​

  • 片选线未正确控制。
  • SPI 模式不匹配。
  • 从机未上电。

通信速率上不去 ​

  • 分频系数设置过大。
  • 走线过长或信号质量差。
  • 从机设备本身不支持更高速度。

本章小结 ​

SPI 以更高的引脚代价换取更高的通信速度，适合存储芯片、显示屏、传感器等对速率要求较高的设备。理解 MOSI、MISO、SCK、NSS 的功能，正确配置 CPOL、CPHA、波特率和数据位长度，是使用 SPI 的关键。对于 Flash 等存储设备，还要注意先擦除后写入的规则。

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